JP2006179373A - Fuel cell system - Google Patents

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Masanori Okada
真規 岡田
Chikayuki Takada
慎之 高田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable to simplify a structure of a fuel cell system to reduce its power consumption, cost, noise, and weight by collecting and reusing water exhausted from a fuel cell stack by a single water pump and a water filter. <P>SOLUTION: The system is provided with an air-intake manifold supplying oxidizing gas to an oxidizing gas inlet of the fuel cell stack, an exhaust manifold exhausting oxidizing gas exhausted from an oxidizing gas outlet of the fuel cell stack, a water circulation line connecting the air-intake manifold with the exhaust manifold and equipped with a water pump and a water filter, a first and a second branch lines with one end connected to the water circulation line in front and at the rear of the pump and the water filter, and the other end connected to a water tank, and a control means controlling water flow at start-up, normal operation, and stoppage, by selectively opening and closing the water circulation line as well as the first and the second branch. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system.

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。   Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put into practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as buses and trucks. The fuel cell may be an alkaline aqueous solution type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, a direct type methanol or the like, but a solid polymer type fuel cell is generally used.

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。   In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode and hydrogen gas as fuel is supplied to the surface thereof, hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode and air as an oxidizing agent is supplied to the surface thereof, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.

そして、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜の両側を湿潤な状態に維持する必要があるので、空気流路に水を供給するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この場合、排出される空気中に含まれる水分を回収して循環させるようになっている。   In the polymer electrolyte fuel cell, since both sides of the polymer electrolyte membrane need to be maintained in a wet state, a system for supplying water to the air flow path has been proposed (for example, Patent Document 1). reference.). In this case, moisture contained in the discharged air is collected and circulated.

図２は従来の燃料電池システムの構成を示す図である。   FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a conventional fuel cell system.

図において、１０１は燃料電池スタック、１０２は該燃料電池スタック１０１から排出された空気が通過する排気マニホールド、１０３は該排気マニホールド１０２の出口端に取り付けられた凝縮器、１０４は該凝縮器１０３を通過する燃料電池の発電によって暖められた空気を冷却するファン、１０５は燃料電池スタック１０１に水と空気を供給するための吸気マニホールド、１０６は該吸気マニホールド１０５を通して燃料電池スタック１０１に空気を供給する空気供給ファンである。   In the figure, 101 is a fuel cell stack, 102 is an exhaust manifold through which air discharged from the fuel cell stack 101 passes, 103 is a condenser attached to the outlet end of the exhaust manifold 102, and 104 is the condenser 103. A fan that cools air heated by power generation of the fuel cell that passes through, 105 is an intake manifold for supplying water and air to the fuel cell stack 101, and 106 supplies air to the fuel cell stack 101 through the intake manifold 105 It is an air supply fan.

そして、排気マニホールド１０２には凝縮器１０３によって凝縮され、排気マニホールド１０２内に貯留した水を排出する凝縮水排出管路１１１の一端が取り付けられている。また、該凝縮水排出管路１１１の途中には排気マニホールド１０２から排出された水を濾（ろ）過する排出水フィルタ１１２、及び、排気マニホールド１０２から水を吸引して凝縮水排出管路１１１の他端に取り付けられた水タンク１１４に送り込む排水ポンプ１１３が配設されている。   One end of a condensed water discharge pipe 111 for discharging water condensed in the condenser 103 and stored in the exhaust manifold 102 is attached to the exhaust manifold 102. Further, in the middle of the condensed water discharge pipe 111, a discharged water filter 112 for filtering water discharged from the exhaust manifold 102, and a condensed water discharge pipe 111 by sucking water from the exhaust manifold 102. A drainage pump 113 that feeds into a water tank 114 attached to the other end is disposed.

一方、吸気マニホールド１０５には、水をスプレーして、燃料電池スタック１０１の酸素極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル１１８が取り付けられている。そして、該水供給ノズル１１８には、他端が水タンク１１４に取り付けられた吸水管路１１５の一端が接続されている。なお、該吸水管路１１５の途中には水タンク１１４から供給された水を濾過する給水フィルタ１１６、及び、水タンク１１４から水を吸引して水供給ノズル１１８に供給する給水ポンプ１１７が配設されている。   On the other hand, water supply nozzle 118 for spraying water and maintaining the oxygen electrode of fuel cell stack 101 in a wet state is attached to intake manifold 105. The water supply nozzle 118 is connected to one end of a water absorption pipe 115 attached to the water tank 114 at the other end. A water supply filter 116 that filters water supplied from the water tank 114 and a water supply pump 117 that sucks water from the water tank 114 and supplies the water to the water supply nozzle 118 are disposed in the middle of the water suction pipe 115. Has been.

これにより、燃料電池スタック１０１から排出される水を回収して、酸素極を湿潤な状態に維持するために再使用することができるので、水を有効に活用することができ、水の補給量を低減することができる。
特開２００３−３３１９０１号公報 Thereby, the water discharged from the fuel cell stack 101 can be recovered and reused to maintain the oxygen electrode in a wet state, so that the water can be used effectively and the amount of water replenished Can be reduced.
JP 2003-331901 A

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、凝縮水排出管路１１１及び吸水管路１１５の各々に、排水ポンプ１１３及び給水ポンプ１１７並びに排出水フィルタ１１２及び給水フィルタ１１６が配設されているので、コストが高く、また、消費電力が大きくなってしまう。すなわち、燃料電池システムを運転する際には、排水ポンプ１１３及び給水ポンプ１１７の２つの水ポンプを常時駆動する必要があるが、燃料電池システムの補機類の中で水ポンプは消費電力が最も大きなものであるため、２つの水ポンプを常時駆動するために消費される電力は非常に大きくなってしまう。また、水フィルタは常時メンテナンスが必要な部材であり、排出水フィルタ１１２及び給水フィルタ１１６の２つのフィルタのメンテナンスが必要なため、メンテナンスコストが高くなってしまう。さらに、２つの水ポンプを常時駆動するので駆動音が大きくなってしまう。さらに、水ポンプは重量が大きなものであるため、２つの水ポンプを配設することによって燃料電池システムの重量が非常に大きくなってしまう。   However, in the conventional fuel cell system, the drainage pump 113, the water supply pump 117, the drainage filter 112, and the water supply filter 116 are disposed in each of the condensed water discharge pipe 111 and the water absorption pipe 115. Cost is high and power consumption increases. That is, when operating the fuel cell system, it is necessary to always drive the two water pumps of the drainage pump 113 and the feed water pump 117, but the water pump has the most power consumption among the auxiliary machinery of the fuel cell system. Since it is large, the power consumed to drive the two water pumps at all times becomes very large. In addition, the water filter is a member that requires constant maintenance, and maintenance of the two filters, the drainage filter 112 and the water supply filter 116, is required, which increases the maintenance cost. Furthermore, since the two water pumps are always driven, the driving noise is increased. Furthermore, since the water pump is heavy, the weight of the fuel cell system becomes very large by providing two water pumps.

本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、各々単数の水ポンプ及び水フィルタによって燃料電池スタックから排出される水を回収して再使用することにより、構成を簡素化し、消費電力、コスト、騒音及び重量を低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention solves the problems of the conventional fuel cell system, simplifies the configuration by collecting and reusing the water discharged from the fuel cell stack by each single water pump and water filter, An object is to provide a fuel cell system capable of reducing power consumption, cost, noise, and weight.

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの酸化ガス入口に酸化ガスを供給する吸気マニホールドと、前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガスを排出する排気マニホールドと、前記吸気マニホールドと排気マニホールドとを接続し、水ポンプ及び水フィルタが配設された水循環管路と、前記水ポンプ及び水フィルタの前後において前記水循環管路に一端が接続され、他端が水タンクに接続された第１及び第２分岐管路と、前記水循環管路並びに第１及び第２分岐管路を選択的に開閉して、起動時、定常運転時及び停止時における水の流れを制御する制御手段とを有する。   Therefore, in the fuel cell system of the present invention, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is laminated with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode. A fuel cell stack, an intake manifold that supplies an oxidizing gas to the oxidizing gas inlet of the fuel cell stack, an exhaust manifold that discharges the oxidizing gas discharged from the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack, and the intake manifold and the exhaust A water circulation line in which a water pump and a water filter are arranged, and one end connected to the water circulation line before and after the water pump and the water filter, and the other end connected to a water tank. Selectively opening and closing the first and second branch pipes, the water circulation pipe, and the first and second branch pipes, so that the water during start-up, steady operation, and stop And a control means for controlling the flow.

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、起動時に前記水タンクと吸気マニホールドとを接続し、水タンク内の水を吸気マニホールドに供給させ、定常運転時に前記排気マニホールドと吸気マニホールドとを接続し、排気マニホールド内の水を吸気マニホールドに供給させ、停止時に前記排気マニホールドと水タンクとを接続し、排気マニホールド内の水を水タンクに供給させる。   In another fuel cell system of the present invention, the control means connects the water tank and the intake manifold at the time of start-up, supplies water in the water tank to the intake manifold, and controls the exhaust manifold and the exhaust manifold during steady operation. An intake manifold is connected, water in the exhaust manifold is supplied to the intake manifold, the exhaust manifold and the water tank are connected when stopped, and water in the exhaust manifold is supplied to the water tank.

本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの酸化ガス入口に酸化ガスを供給する吸気マニホールドと、前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガスを排出する排気マニホールドと、前記吸気マニホールドと排気マニホールドとを接続し、水ポンプ及び水フィルタが配設された水循環管路と、前記水ポンプ及び水フィルタの前後において前記水循環管路に一端が接続され、他端が水タンクに接続された第１及び第２分岐管路と、前記水循環管路並びに第１及び第２分岐管路を選択的に開閉して、起動時、定常運転時及び停止時における水の流れを制御する制御手段とを有する。   According to the present invention, in a fuel cell system, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is stacked with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode. A fuel cell stack, an intake manifold that supplies an oxidizing gas to the oxidizing gas inlet of the fuel cell stack, an exhaust manifold that discharges the oxidizing gas discharged from the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack, and the intake manifold and the exhaust A water circulation line in which a water pump and a water filter are arranged, and one end connected to the water circulation line before and after the water pump and the water filter, and the other end connected to a water tank. The first and second branch pipes, the water circulation pipe and the first and second branch pipes are selectively opened and closed, and the flow of water during start-up, steady operation, and stop And a control means for controlling.

この場合、燃料電池システムにおける排水及び給水系統の構成を簡素化することができ、消費電力を低減することができ、メンテナンスコストを低減することができ、騒音を低減することができ、燃料電池システムの重量を低減することができる。   In this case, the configuration of the drainage and water supply system in the fuel cell system can be simplified, the power consumption can be reduced, the maintenance cost can be reduced, the noise can be reduced, and the fuel cell system Can be reduced in weight.

他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、起動時に前記水タンクと吸気マニホールドとを接続し、水タンク内の水を吸気マニホールドに供給させ、定常運転時に前記排気マニホールドと吸気マニホールドとを接続し、排気マニホールド内の水を吸気マニホールドに供給させ、停止時に前記排気マニホールドと水タンクとを接続し、排気マニホールド内の水を水タンクに供給させる。   In another fuel cell system, the control means further connects the water tank and the intake manifold at the time of startup, supplies water in the water tank to the intake manifold, and controls the exhaust manifold and the intake manifold during normal operation. And the water in the exhaust manifold is supplied to the intake manifold. When the engine is stopped, the exhaust manifold and the water tank are connected, and the water in the exhaust manifold is supplied to the water tank.

この場合、起動時に十分な量の水を吸気マニホールドに供給することができ、定常運転時に排気マニホールドから安定的に水を排出して吸気マニホールドに供給することができ、停止時に排気マニホールドに水が残留することなく、かつ、効率的に水タンクに回収することができる。   In this case, a sufficient amount of water can be supplied to the intake manifold during startup, water can be stably discharged from the exhaust manifold during steady operation, and supplied to the intake manifold. It can be efficiently recovered in the water tank without remaining.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図、図３は本発明の実施の形態における燃料電池スタックに取り付けられた吸気マニホールド及び排気マニホールドの構成を示す図である。なお、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は側面図である。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system in an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram showing configurations of an intake manifold and an exhaust manifold attached to a fuel cell stack in an embodiment of the present invention. 3A is a plan view, and FIG. 3B is a side view.

図１において、１１は燃料電池（ＦＣ）としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック１１と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。   In FIG. 1, reference numeral 11 denotes a fuel cell stack as a fuel cell (FC), which is used as a power source for vehicles such as passenger cars, buses, trucks, passenger carts and luggage carts. Here, the vehicle is equipped with a large number of auxiliary devices that consume electricity, such as lighting devices, radios, and power windows, which are used even when the vehicle is stopped. Since the output range is extremely wide, it is desirable to use a fuel cell stack 11 as a power source and a secondary battery as a power storage means (not shown) in combination.

そして、燃料電池スタック１１は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。   The fuel cell stack 11 is of an alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), direct methanol (DMFC), or the like. However, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is desirable.

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。   More preferably, it is called a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell using hydrogen gas as fuel and oxygen or air as oxidant. Here, the PEM fuel cell is generally a fuel cell in which a catalyst, an electrode, and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer that transmits ions such as protons. Are composed of a plurality of stacks connected in series.

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、該燃料極表面に接する燃料流路を介し前記燃料極（アノード極）に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、該酸素極表面に接する空気流路を介し前記酸素極に酸化ガス、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成され、生成水が発生する。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。   In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. Then, when one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode and a fuel gas, that is, hydrogen gas as an anode gas, is supplied to the fuel electrode (anode electrode) through a fuel flow path in contact with the fuel electrode surface, It is decomposed into ions (protons) and electrons, and hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (cathode electrode) and an oxidizing gas, that is, air as a cathode gas, is supplied to the oxygen electrode through an air passage in contact with the surface of the oxygen electrode, oxygen in the air The hydrogen ions and the electrons are combined to generate water, and generated water is generated. An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.

また、図１には、燃料電池スタック１１に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック１１に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック１１は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック１１の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。   FIG. 1 also shows an apparatus for supplying hydrogen gas as a fuel gas and air as an oxidant to the fuel cell stack 11. Although hydrogen gas, which is fuel taken out by reforming methanol, gasoline, or the like by a reformer (not shown), can be directly supplied to the fuel cell stack 11, it is stable and sufficient even during high-load operation of the vehicle. In order to be able to supply an amount of hydrogen gas, it is desirable to supply the hydrogen gas stored in the fuel storage means. Thereby, hydrogen gas is always sufficiently supplied at a substantially constant pressure, so that the fuel cell stack 11 can follow the fluctuation of the load of the vehicle and supply a necessary current. In this case, the output impedance of the fuel cell stack 11 is extremely low and can be approximated to zero.

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の図示されない燃料貯蔵手段から、燃料供給管路を通って、燃料電池スタック１１の燃料ガス入口、すなわち、燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記燃料供給管路には、燃料供給電磁弁、圧力センサ、圧力調整弁、安全弁等が配設される。   Hydrogen gas is supplied from a fuel storage means (not shown) such as a container storing a hydrogen storage alloy, a container storing a hydrogen storage liquid such as decalin, a hydrogen gas cylinder, etc., through the fuel supply line, and the fuel gas of the fuel cell stack 11. It is supplied to the inlet, that is, the inlet of the fuel gas flow path. A fuel supply solenoid valve, a pressure sensor, a pressure adjustment valve, a safety valve, and the like are disposed in the fuel supply line.

また、燃料電池スタック１１の燃料ガス出口、すなわち、燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、図示されない燃料排出管路を通って燃料電池スタック１１の外部に排出される。前記燃料排出管路には、水回収ドレインタンク、吸引循環ポンプ、水素循環電磁弁等が配設されている。また、前記燃料排出管路における水回収ドレインタンクと反対側の端部は、燃料供給管路に接続されている。これにより、燃料電池スタック１１の燃料ガス出口から排出された燃料ガスを燃料ガス入口に戻して循環させる循環路が形成され、燃料電池スタック１１の外部に導出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。   Further, hydrogen gas discharged as an unreacted component from the fuel gas outlet of the fuel cell stack 11, that is, the outlet of the fuel gas flow path, is discharged outside the fuel cell stack 11 through a fuel discharge pipe (not shown). . A water recovery drain tank, a suction circulation pump, a hydrogen circulation solenoid valve, and the like are disposed in the fuel discharge pipe. The end of the fuel discharge line opposite to the water recovery drain tank is connected to the fuel supply line. As a result, a circulation path for circulating the fuel gas discharged from the fuel gas outlet of the fuel cell stack 11 back to the fuel gas inlet is formed, the hydrogen gas led out of the fuel cell stack 11 is recovered, and the fuel cell The fuel gas flow path of the stack 11 can be supplied and reused.

さらに、前記水回収ドレインタンクには、大気排出用管路が接続され、該大気排出用管路には水素排気電磁弁が配設され、燃料電池スタック１１の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。また、燃料供給管路には、外気導入管路が接続されている。そして、該外気導入管路には、外気導入用電磁弁及びエアフィルタが配設され、燃料電池スタック１１の運転終了時に外気を燃料ガス流路に導入することができるようになっている。   Further, an atmospheric discharge conduit is connected to the water recovery drain tank, and a hydrogen exhaust solenoid valve is disposed in the atmospheric discharge conduit, and is discharged from the fuel gas passage when the fuel cell stack 11 is started. Hydrogen gas can be discharged into the atmosphere. In addition, an outside air introduction line is connected to the fuel supply line. The outside air introduction pipe line is provided with an outside air introduction solenoid valve and an air filter so that the outside air can be introduced into the fuel gas flow path when the operation of the fuel cell stack 11 is completed.

一方、酸化剤、すなわち、酸化ガスとしての空気は、酸化剤供給源としての空気供給ファン１６から、酸化剤供給管路としての吸気マニホールド１５を通って、燃料電池スタック１１の空気流路の酸化ガス入口に供給される。前記空気供給ファン１６は、ファン駆動用モータ１６ａによって駆動され、エアフィルタ１６ｂを介して吸入した空気を吸気マニホールド１５に送り込む。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、燃料電池スタック１１の空気流路の酸化ガス出口から排出される空気は、排気マニホールド１２及び凝縮器１３を通って大気中へ排出される。   On the other hand, the oxidant, that is, the air as the oxidant gas, is oxidized from the air supply fan 16 as the oxidant supply source, through the intake manifold 15 as the oxidant supply line, and in the air flow path of the fuel cell stack 11. Supplied to the gas inlet. The air supply fan 16 is driven by a fan driving motor 16 a and sends the air sucked through the air filter 16 b to the intake manifold 15. Note that oxygen can be used as the oxidizing agent instead of air. The air discharged from the oxidizing gas outlet of the air flow path of the fuel cell stack 11 is discharged into the atmosphere through the exhaust manifold 12 and the condenser 13.

また、前記吸気マニホールド１５には、水をスプレーして、燃料電池スタック１１の酸素極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル２７が配設される。また、スプレーされた水によって前記酸素極及び燃料極を冷却することができる。さらに、前記排気マニホールド１２の端部に配設された凝縮器１３は、前記燃料電池スタック１１から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去する。なお、前記凝縮器１３の空気排出口側のファン１４は、排気温度が所定温度以上のとき、駆動するようになっている。   The intake manifold 15 is provided with a water supply nozzle 27 for spraying water to maintain the oxygen electrode of the fuel cell stack 11 in a wet state. Further, the oxygen electrode and the fuel electrode can be cooled by the sprayed water. Further, the condenser 13 disposed at the end of the exhaust manifold 12 condenses and removes moisture contained in the air discharged from the fuel cell stack 11. The fan 14 on the air outlet side of the condenser 13 is driven when the exhaust temperature is equal to or higher than a predetermined temperature.

この場合、前記排気マニホールド１２は、凝縮器１３によって凝縮されて燃料電池スタック１１の空気流路から排出される空気から分離された水を一時収容する機能を備える。本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、空気流路が上下方向に延在するように、すなわち、空気が上から下へ向けて流れるように配設される。そして、図３（ｂ）に示されるように、前記排気マニホールド１２は、燃料電池スタック１１の下面を覆うように取り付けられ、燃料電池スタック１１の後端（図３（ｂ）における左端）から後方斜め上方に向けて延在するように形成されている。なお、排気マニホールド１２の後端に凝縮器１３が配設される。また、排気マニホールド１２の底板１２ａは、燃料電池スタック１１の後端に向けて下降するように斜めに形成されている。そのため、燃料電池スタック１１の空気流路から排出される空気から分離された水は、排気マニホールド１２内に収容され、底板１２ａ上に貯留される。   In this case, the exhaust manifold 12 has a function of temporarily containing water separated from the air condensed by the condenser 13 and discharged from the air flow path of the fuel cell stack 11. In the present embodiment, the fuel cell stack 11 is arranged so that the air flow path extends in the vertical direction, that is, the air flows from the top to the bottom. As shown in FIG. 3B, the exhaust manifold 12 is attached so as to cover the lower surface of the fuel cell stack 11, and rearward from the rear end (left end in FIG. 3B) of the fuel cell stack 11. It is formed so as to extend obliquely upward. A condenser 13 is disposed at the rear end of the exhaust manifold 12. Further, the bottom plate 12 a of the exhaust manifold 12 is formed obliquely so as to descend toward the rear end of the fuel cell stack 11. Therefore, the water separated from the air discharged from the air flow path of the fuel cell stack 11 is accommodated in the exhaust manifold 12 and stored on the bottom plate 12a.

そこで、本実施の形態においては、水循環管路としての排水吸引管路２１の一端が底板１２ａの最下点近傍に該当する箇所において排気マニホールド１２に接続される。また、前記排水吸引管路２１の他端は、ポンプとしての水ポンプ２２の吸引口に接続されている。なお、水ポンプ２２はポンプ駆動用モータ２２ａによって駆動される。これにより、排気マニホールド１２内に貯留された水は、水ポンプ２２によって吸引されることにより、排水吸引管路２１を通って排水される。なお、該排水吸引管路２１には、電磁制御弁から成る第１開閉弁２４、及び、排水吸引管路２１内を流れる水を濾過する水フィルタ２３が配設されている。また、図３（ａ）に示されるように、排水吸引管路２１の排気マニホールド１２側の端部には、排気マニホールド１２内に延在する吸引管部材２１ａが接続されている。該吸引管部材２１ａは、周囲に多数の孔（あな）が形成されたパイプ状の部材であり、排気マニホールド１２を横断するように底板１２ａの最下点近傍に配設されている。そのため、排気マニホールド１２内に貯留された水は、その量が少なく、水位が低くても、確実に吸引管部材２１ａに吸引され、排水吸引管路２１を通って排水される。   Therefore, in the present embodiment, one end of the drain suction pipe 21 as a water circulation pipe is connected to the exhaust manifold 12 at a location corresponding to the vicinity of the lowest point of the bottom plate 12a. The other end of the drain suction pipe 21 is connected to a suction port of a water pump 22 as a pump. The water pump 22 is driven by a pump driving motor 22a. As a result, the water stored in the exhaust manifold 12 is drained through the drain suction pipe 21 by being sucked by the water pump 22. The drain suction pipe 21 is provided with a first on-off valve 24 formed of an electromagnetic control valve and a water filter 23 for filtering water flowing through the drain suction pipe 21. Further, as shown in FIG. 3A, a suction pipe member 21 a extending into the exhaust manifold 12 is connected to an end of the drain suction pipe 21 on the exhaust manifold 12 side. The suction pipe member 21 a is a pipe-like member having a large number of holes (holes) formed around it, and is disposed in the vicinity of the lowest point of the bottom plate 12 a so as to cross the exhaust manifold 12. Therefore, even if the amount of water stored in the exhaust manifold 12 is small and the water level is low, the water is surely sucked into the suction pipe member 21 a and drained through the drain suction pipe 21.

また、前記水ポンプ２２の吐出口には、水循環管路としての水供給管路２５の一端が接続されている。そして、該水供給管路２５の他端は水供給ノズル２７に接続され、水ポンプ２２から吐出された水は、水供給管路２５及び水供給ノズル２７を通って、吸気マニホールド１５内にスプレーされる。これにより、排気マニホールド１２内に貯留された水を排水吸引管路２１及び水供給管路２５を通して循環させ、燃料電池スタック１１の酸素極を湿潤な状態に維持するためにスプレーされる水として再使用することができる。なお、前記水供給管路２５には電磁制御弁から成る第４開閉弁２６が配設されている。   Further, one end of a water supply line 25 as a water circulation line is connected to the discharge port of the water pump 22. The other end of the water supply line 25 is connected to a water supply nozzle 27, and water discharged from the water pump 22 is sprayed into the intake manifold 15 through the water supply line 25 and the water supply nozzle 27. Is done. As a result, the water stored in the exhaust manifold 12 is circulated through the drain suction line 21 and the water supply line 25, and is reused as water sprayed to maintain the oxygen electrode of the fuel cell stack 11 in a wet state. Can be used. The water supply pipe 25 is provided with a fourth on-off valve 26 composed of an electromagnetic control valve.

そして、前記排水吸引管路２１には他端が水タンク３２に接続された第１分岐管路３１の一端が接続され、前記水供給管路２５には他端が水タンク３２に接続された第２分岐管路３３の一端が接続されている。なお、前記第１分岐管路３１は、途中に配設された電磁制御弁から成る第２開閉弁３４を備え、前記排水吸引管路２１における第１開閉弁２４と水フィルタ２３との間に接続されている。また、前記第２分岐管路３３は、途中に配設された電磁制御弁から成る第３開閉弁３５を備え、前記水供給管路２５における水ポンプ２２と第４開閉弁２６との間に接続されている。これにより、排気マニホールド１２から排水された水の余剰分を水タンク３２に貯留することができ、吸気マニホールド１５内にスプレーされる水の不足分を水タンク３２から供給することができる。   The drain suction pipe 21 is connected to one end of a first branch pipe 31 whose other end is connected to a water tank 32, and the other end of the water supply pipe 25 is connected to a water tank 32. One end of the second branch conduit 33 is connected. The first branch pipe 31 includes a second on-off valve 34 composed of an electromagnetic control valve disposed in the middle, and is disposed between the first on-off valve 24 and the water filter 23 in the drainage suction pipe 21. It is connected. The second branch pipe 33 includes a third on-off valve 35 formed of an electromagnetic control valve disposed in the middle, and is provided between the water pump 22 and the fourth on-off valve 26 in the water supply pipe 25. It is connected. As a result, surplus water drained from the exhaust manifold 12 can be stored in the water tank 32, and a shortage of water sprayed into the intake manifold 15 can be supplied from the water tank 32.

ここで、前記水ポンプ２２は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ２３は、水に含まれる塵埃（じんあい）、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記水タンク３２にはレベルゲージ（水位計）３２ａが配設されている。   Here, the water pump 22 may be of any kind as long as it can suck and discharge water. Further, the water filter 23 may be of any kind as long as it removes dust, impurities, etc. contained in water. The water tank 32 is provided with a level gauge (water level gauge) 32a.

また、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。   The secondary battery as the power storage means is a so-called battery (storage battery), and a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a lithium ion battery, a sodium sulfur battery, and the like are common. The power storage means does not necessarily have to be a battery, and electrically stores and discharges energy, such as a capacitor (capacitor) such as an electric double layer capacitor, a flywheel, a superconducting coil, and a pressure accumulator. Any form may be used as long as it has a function. Furthermore, any of these may be used alone, or a plurality of them may be used in combination.

また、前記燃料電池スタック１１は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック１１又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。   The fuel cell stack 11 is connected to a load (not shown) and supplies the generated current to the load. Here, the load is generally an inverter device that is a drive control device, and converts a direct current from the fuel cell stack 11 or the power storage means into an alternating current to rotate a vehicle wheel. To supply. Here, the drive motor also functions as a generator, and generates a so-called regenerative current when the vehicle is decelerated. In this case, since the drive motor is rotated by the wheel to generate electric power, the wheel is braked, that is, functions as a vehicle braking device (brake). Then, the regenerative current is supplied to the power storage means, and the power storage means is charged.

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは図示されない制御手段を有する。該制御手段は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック１１の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記燃料供給電磁弁、圧力調整弁、吸引循環ポンプ、水素循環電磁弁、水素排気電磁弁、外気導入用電磁弁、空気供給ファン１６、ファン１４、水ポンプ２２、第１開閉弁２４、第２開閉弁３４、第３開閉弁３５、第４開閉弁２６等の動作を制御する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池スタック１１に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。   In the present embodiment, the fuel cell system has control means (not shown). The control means includes arithmetic means such as a CPU and MPU, storage means such as a magnetic disk and semiconductor memory, an input / output interface, and the like, and is supplied from various sensors to the fuel gas flow path and the air flow path of the fuel cell stack 11. Detecting the flow rate, temperature, output voltage, etc. of hydrogen, oxygen, air, etc., and supplying the fuel supply solenoid valve, pressure regulating valve, suction circulation pump, hydrogen circulation solenoid valve, hydrogen exhaust solenoid valve, outside air introduction solenoid valve, The operations of the air supply fan 16, the fan 14, the water pump 22, the first on-off valve 24, the second on-off valve 34, the third on-off valve 35, the fourth on-off valve 26, and the like are controlled. Furthermore, the control means controls the operation of all devices that supply fuel and oxidant to the fuel cell stack 11 in cooperation with other sensors and other control devices.

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。   Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described.

図４は本発明の実施の形態における燃料電池システムの起動時の動作を説明する図、図５は本発明の実施の形態における燃料電池システムの定常運転時の動作を説明する図、図６は本発明の実施の形態における燃料電池システムの停止時の動作を説明する図である。   FIG. 4 is a diagram for explaining the operation at the time of startup of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, FIG. 5 is a diagram for explaining the operation at the time of steady operation of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, and FIG. It is a figure explaining the operation | movement at the time of the stop of the fuel cell system in embodiment of this invention.

まず、燃料電池システムの起動時における動作について説明する。この場合、制御手段は、水素排気電磁弁を開けて、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路内の空気が大気排出用管路を通って排出されるようにする。続いて、燃料供給電磁弁を開けて燃料貯蔵手段からの水素ガスが燃料供給管路を通って燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に供給されるようにする。このとき、水素排気電磁弁が開いているので、前記燃料ガス流路内に残留する空気や水分が供給された水素ガスによってパージされる。また、空気供給ファン１６を作動させ、空気を燃料電池スタック１１の空気流路に供給する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック１１の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量とする。   First, the operation at the start of the fuel cell system will be described. In this case, the control means opens the hydrogen exhaust electromagnetic valve so that the air in the fuel gas flow path of the fuel cell stack 11 is discharged through the air exhaust conduit. Subsequently, the fuel supply electromagnetic valve is opened so that hydrogen gas from the fuel storage means is supplied to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 11 through the fuel supply pipe. At this time, since the hydrogen exhaust solenoid valve is open, the hydrogen gas is purged by the hydrogen gas supplied with air and moisture remaining in the fuel gas flow path. Further, the air supply fan 16 is operated to supply air to the air flow path of the fuel cell stack 11. In this case, the amount of air to be supplied is sufficiently larger than the amount of air necessary for the output of the fuel cell stack 11 to be maximized.

さらに、水ポンプ２２を作動させ、水供給ノズル２７から水を吸気マニホールド１５内にスプレーして、燃料電池スタック１１の酸素極を湿潤な状態に維持する。ところで、燃料電池システムの起動時においては、排気マニホールド１２内に水が貯留されていないので、水タンク３２内に貯留された水を水供給ノズル２７に供給する必要がある。そのため、第１開閉弁２４及び第３開閉弁３５を閉じ、第２開閉弁３４及び第４開閉弁２６を開ける。これにより、図４に示されるように、水タンク３２内の水は、第１分岐管路３１を通って排水吸引管路２１に流入し、水フィルタ２３を通過して濾過された後、水ポンプ２２に吸引される。そして、該水ポンプ２２から吐出された水は、水供給管路２５を通って水供給ノズル２７に供給され、吸気マニホールド１５内にスプレーされる。この場合、第１開閉弁２４が閉じているので、排気マニホールド１２から水が水ポンプ２２に吸引されることがない。また、第３開閉弁３５が閉じているので、水ポンプ２２から吐出された水が第２分岐管路３３を通って水タンク３２に流入することがない。そして、該水タンク３２内に貯留されている水が吸気マニホールド１５内にスプレーされることによって、燃料電池スタック１１の酸素極が湿潤な状態に維持される。   Further, the water pump 22 is operated and water is sprayed from the water supply nozzle 27 into the intake manifold 15 to maintain the oxygen electrode of the fuel cell stack 11 in a wet state. By the way, when the fuel cell system is started up, water is not stored in the exhaust manifold 12, so the water stored in the water tank 32 needs to be supplied to the water supply nozzle 27. Therefore, the first on-off valve 24 and the third on-off valve 35 are closed, and the second on-off valve 34 and the fourth on-off valve 26 are opened. As a result, as shown in FIG. 4, the water in the water tank 32 flows into the drainage suction pipe 21 through the first branch pipe 31, passes through the water filter 23, and is filtered. It is sucked into the pump 22. The water discharged from the water pump 22 is supplied to the water supply nozzle 27 through the water supply pipe 25 and sprayed into the intake manifold 15. In this case, since the first on-off valve 24 is closed, water is not sucked from the exhaust manifold 12 to the water pump 22. Further, since the third on-off valve 35 is closed, the water discharged from the water pump 22 does not flow into the water tank 32 through the second branch conduit 33. Then, the water stored in the water tank 32 is sprayed into the intake manifold 15 so that the oxygen electrode of the fuel cell stack 11 is maintained in a wet state.

続いて、水タンク３２内に貯留されている水の量が減少し、所定の水位以下になったことがレベルゲージ３２ａによって検出されると、第１開閉弁２４を開け、第２開閉弁３４を閉じる。なお、第３開閉弁３５は閉じた状態を継続し、第４開閉弁２６は開けた状態を継続する。これにより、図５に示されるように、排気マニホールド１２内の水は、排水吸引管路２１に流入し、水フィルタ２３を通過して濾過された後、水ポンプ２２に吸引される。そして、該水ポンプ２２から吐出された水は、水供給管路２５を通って水供給ノズル２７に供給され、吸気マニホールド１５内にスプレーされる。この場合、第２開閉弁３４が閉じているので、水タンク３２からの水が第１分岐管路３１を通って水ポンプ２２に吸引されることがない。また、第３開閉弁３５が閉じているので、水ポンプ２２から吐出された水が第２分岐管路３３を通って水タンク３２に流入することがない。すなわち、水は、水タンク３２並びに第１分岐管路３１及び第２分岐管路３３をバイパスし、排水吸引管路２１及び水供給管路２５を通って流れる。そして、排気マニホールド１２内に貯留されている水が吸気マニホールド１５内にスプレーされることによって、燃料電池スタック１１の酸素極が湿潤な状態に維持される。   Subsequently, when the level gauge 32a detects that the amount of water stored in the water tank 32 has decreased and has become below a predetermined water level, the first on-off valve 24 is opened and the second on-off valve 34 is opened. Close. In addition, the 3rd on-off valve 35 continues the closed state, and the 4th on-off valve 26 continues the opened state. As a result, as shown in FIG. 5, the water in the exhaust manifold 12 flows into the drain suction pipe 21, passes through the water filter 23, is filtered, and then sucked into the water pump 22. The water discharged from the water pump 22 is supplied to the water supply nozzle 27 through the water supply pipe 25 and sprayed into the intake manifold 15. In this case, since the second on-off valve 34 is closed, water from the water tank 32 is not sucked into the water pump 22 through the first branch conduit 31. Further, since the third on-off valve 35 is closed, the water discharged from the water pump 22 does not flow into the water tank 32 through the second branch conduit 33. That is, the water bypasses the water tank 32 and the first branch pipe 31 and the second branch pipe 33 and flows through the drain suction pipe 21 and the water supply pipe 25. Then, the water stored in the exhaust manifold 12 is sprayed into the intake manifold 15 so that the oxygen electrode of the fuel cell stack 11 is maintained in a wet state.

この場合、燃料電池システムの起動してから定常運転時の動作に移行するまでには、ある程度の時間が経過しているので、その間に、燃料電池スタック１１から排出される空気から凝縮器１３によって除去されて排気マニホールド１２内に貯留された水の量は、吸引管部材２１ａによって吸引されるのに十分な量となっている。そのため、排水吸引管路２１には十分な量の水が流入する。また、燃料電池システムの運転時においては、水供給ノズル２７から吸気マニホールド１５内にスプレーされる水に加えて、生成水も燃料電池スタック１１の空気流路から排出される。そのため、蒸発して散逸してしまう水分量を考慮しても、吸気マニホールド１５内にスプレーされた水の量以上の水が排気マニホールド１２内に貯留されるので、水供給ノズル２７に供給される水が不足することはない。   In this case, since a certain amount of time has passed from the start of the fuel cell system to the transition to the operation during steady operation, the air is discharged from the fuel cell stack 11 during that time by the condenser 13. The amount of water removed and stored in the exhaust manifold 12 is sufficient to be sucked by the suction pipe member 21a. Therefore, a sufficient amount of water flows into the drainage suction pipe 21. Further, during operation of the fuel cell system, in addition to water sprayed into the intake manifold 15 from the water supply nozzle 27, generated water is also discharged from the air flow path of the fuel cell stack 11. For this reason, even if the amount of water that evaporates and dissipates is taken into account, more water than the amount of water sprayed in the intake manifold 15 is stored in the exhaust manifold 12, and is supplied to the water supply nozzle 27. There is no shortage of water.

次に、燃料電池システムの運転を停止する際の動作について説明する。この場合、制御手段は、燃料供給電磁弁及び水素循環電磁弁を閉じて、燃料ガス流路への水素ガスの供給を遮断する。そして、水素排気電磁弁を開いて、燃料ガス流路内の水素ガスをパージする。この場合、吸引循環ポンプが作動しているので、燃料電池スタック１１、水回収ドレインタンク、燃料供給管路、燃料排出管路等に残留している水素ガスは、吸引循環ポンプによって排出される。そして、燃料ガス流路の内部が負圧となるので、燃料ガス流路内から水素ガスが確実に速やかに除去されて排出される。   Next, the operation when stopping the operation of the fuel cell system will be described. In this case, the control means closes the fuel supply solenoid valve and the hydrogen circulation solenoid valve to shut off the supply of hydrogen gas to the fuel gas flow path. Then, the hydrogen exhaust solenoid valve is opened to purge the hydrogen gas in the fuel gas passage. In this case, since the suction circulation pump is operating, the hydrogen gas remaining in the fuel cell stack 11, the water recovery drain tank, the fuel supply line, the fuel discharge line, etc. is discharged by the suction circulation pump. And since the inside of a fuel gas flow path becomes a negative pressure, hydrogen gas is reliably removed from the fuel gas flow path quickly and discharged.

また、第３開閉弁３５を開け、第４開閉弁２６を閉じる。なお、第１開閉弁２４は開けた状態を継続し、第２開閉弁３４は閉じた状態を継続する。これにより、図６に示されるように、排気マニホールド１２内に貯留された水は、排水吸引管路２１に流入し、水フィルタ２３を通過して濾過された後、水ポンプ２２に吸引される。そして、該水ポンプ２２から吐出された水は、第２分岐管路３３を通って水タンク３２に流入する。この場合、第２開閉弁３４が閉じているので、水タンク３２から水が水ポンプ２２に吸引されることがない。また、第４開閉弁２６が閉じているので、水供給管路２５を通って水が水供給ノズル２７に供給されることがない。そして、排気マニホールド１２内の水が排出されるので、排気マニホールド１２内に水分が残留することがない。   Further, the third on-off valve 35 is opened and the fourth on-off valve 26 is closed. The first opening / closing valve 24 continues to be opened, and the second opening / closing valve 34 continues to be closed. As a result, as shown in FIG. 6, the water stored in the exhaust manifold 12 flows into the drain suction pipe 21, is filtered through the water filter 23, and is then sucked into the water pump 22. . The water discharged from the water pump 22 flows into the water tank 32 through the second branch conduit 33. In this case, since the second on-off valve 34 is closed, water is not sucked from the water tank 32 to the water pump 22. Further, since the fourth on-off valve 26 is closed, water is not supplied to the water supply nozzle 27 through the water supply line 25. And since the water in the exhaust manifold 12 is discharged, moisture does not remain in the exhaust manifold 12.

このように、本実施の形態においては、各々１つの水ポンプ２２及び水フィルタ２３によって燃料電池スタック１１から排出される水を回収して再使用する。すなわち、燃料電池システムの起動時には、水タンク３２内の水が第１分岐管路３１を通って排水吸引管路２１に流入し、水フィルタ２３を通過して濾過された後、水ポンプ２２に吸引され、水供給管路２５を通って水供給ノズル２７に供給される。また、燃料電池システムの定常運転時には、排気マニホールド１２内の水が排水吸引管路２１に流入し、水タンク３２をバイパスして、水フィルタ２３を通過して濾過された後、水ポンプ２２に吸引され、水供給管路２５を通って水供給ノズル２７に供給される。さらに、燃料電池システムの停止時には、排気マニホールド１２内の水が排水吸引管路２１に流入し、水フィルタ２３を通過して濾過された後、水ポンプ２２に吸引され、第２分岐管路３３を通って水タンク３２に流入する。   Thus, in the present embodiment, water discharged from the fuel cell stack 11 is collected and reused by one water pump 22 and one water filter 23, respectively. That is, when the fuel cell system is started, the water in the water tank 32 flows into the drainage suction pipe 21 through the first branch pipe 31, is filtered through the water filter 23, and then is supplied to the water pump 22. The water is sucked and supplied to the water supply nozzle 27 through the water supply line 25. During steady operation of the fuel cell system, the water in the exhaust manifold 12 flows into the drain suction pipe 21, bypasses the water tank 32, passes through the water filter 23 and is filtered, and then passes to the water pump 22. The water is sucked and supplied to the water supply nozzle 27 through the water supply line 25. Further, when the fuel cell system is stopped, the water in the exhaust manifold 12 flows into the drain suction pipe 21, passes through the water filter 23, is filtered, and is then sucked into the water pump 22, and the second branch pipe 33. Through the water tank 32.

そのため、燃料電池システムにおける排水及び給水系統の構成を簡素化することができ、１つの水ポンプ２２だけを作動させればよいので消費電力を低減することができ、１つの水フィルタ２３だけのメンテナンスを行えばよいのでメンテナンスコストを低減することができ、１つの水ポンプ２２だけを作動させればよいので騒音を低減することができ、重量の大きな水ポンプ２２が１つだけなので燃料電池システムの重量を低減することができる。   Therefore, the configuration of the drainage and water supply system in the fuel cell system can be simplified, and only one water pump 22 needs to be operated, so that power consumption can be reduced, and only one water filter 23 is maintained. Maintenance cost can be reduced, and only one water pump 22 needs to be operated, noise can be reduced, and only one heavy water pump 22 is used. Weight can be reduced.

ところで、本実施の形態においては、「背景技術」の項で説明したような従来の燃料電池システムと比較して、水ポンプ及びフィルタを１つずつ削減しているものの、４つの電磁制御弁、すなわち、第１開閉弁２４、第２開閉弁３４、第３開閉弁３５及び第４開閉弁２６を使用するので、消費電力がさほど削減されないようにもみえる。しかし、燃料電池システムの運転状態は、起動時、定常運転時及び停止時の３つに分類されるところ、３つの運転状態のうち、定常運転時が大半を占める。そのため、定常運転時に開けた状態となる第１開閉弁２４及び第４開閉弁２６として、電流を供給すると弁が閉じ、電流を供給しないと弁が開いた状態を維持するノーマルオープンの電磁制御弁を使用し、一方、定常運転時に閉じた状態となる第２開閉弁３４及び第３開閉弁３５として、電流を供給すると弁が開き、電流を供給しないと弁が閉じた状態を維持するノーマルクローズの電磁制御弁を使用することによって、定常運転時における４つの電磁制御弁の消費電力をゼロとすることができる。したがって、大半を占める定常運転時において、１つの水ポンプ２２だけを作動させればよいので、燃料電池システムの消費電力を大幅に低減することができる。   By the way, in this embodiment, compared with the conventional fuel cell system as described in the section “Background Art”, the water pump and the filter are reduced one by one, but four electromagnetic control valves, That is, since the first on-off valve 24, the second on-off valve 34, the third on-off valve 35, and the fourth on-off valve 26 are used, it seems that the power consumption is not reduced so much. However, the operating state of the fuel cell system is classified into three at startup, steady operation, and stop, and most of the three operation states are at steady operation. Therefore, as the first on-off valve 24 and the fourth on-off valve 26 that are opened during steady operation, the valves are closed when current is supplied, and the normally open electromagnetic control valves that maintain the valve open when current is not supplied. On the other hand, as the second on-off valve 34 and the third on-off valve 35 that are closed during steady operation, the valve opens when current is supplied, and is normally closed when the current is not supplied. By using this electromagnetic control valve, the power consumption of the four electromagnetic control valves during steady operation can be made zero. Therefore, since only one water pump 22 needs to be operated during steady operation that occupies the majority, the power consumption of the fuel cell system can be greatly reduced.

また、水を大量に貯留する水タンク３２が燃料電池スタック１１と別体として構成されているので、燃料電池スタック１１の下方に水を大量に貯留するための容器を配設する必要がなく、燃料電池スタック１１の取り付け位置を下げることができ、車両の重心位置を低下させることができる。   Further, since the water tank 32 for storing a large amount of water is configured separately from the fuel cell stack 11, there is no need to dispose a container for storing a large amount of water below the fuel cell stack 11, The attachment position of the fuel cell stack 11 can be lowered, and the center of gravity position of the vehicle can be lowered.

さらに、燃料電池スタック１１の酸素極を加湿するためにスプレーされた水を回収して再利用するので、燃料電池スタック１１の酸素極を加湿するためにスプレーする水の不足を補うことができ、水タンク３２を小型軽量化することができる。   Furthermore, since the sprayed water is collected and reused to humidify the oxygen electrode of the fuel cell stack 11, the shortage of water sprayed to humidify the oxygen electrode of the fuel cell stack 11 can be compensated. The water tank 32 can be reduced in size and weight.

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system in embodiment of this invention. 従来の燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional fuel cell system. 本発明の実施の形態における燃料電池スタックに取り付けられた吸気マニホールド及び排気マニホールドの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the intake manifold and exhaust manifold attached to the fuel cell stack in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における燃料電池システムの起動時の動作を説明する図である。It is a figure explaining the operation | movement at the time of starting of the fuel cell system in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における燃料電池システムの定常運転時の動作を説明する図である。It is a figure explaining the operation | movement at the time of the steady operation of the fuel cell system in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における燃料電池システムの停止時の動作を説明する図である。It is a figure explaining the operation | movement at the time of the stop of the fuel cell system in embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１１ 燃料電池スタック
１２ 排気マニホールド
１５ 吸気マニホールド
２１ 排水吸引管路
２２ 水ポンプ
２３ 水フィルタ
２５ 水供給管路
３１ 第１分岐管路
３２ 水タンク
３３ 第２分岐管路 11 Fuel Cell Stack 12 Exhaust Manifold 15 Intake Manifold 21 Drainage Suction Pipe 22 Water Pump 23 Water Filter 25 Water Supply Pipe 31 First Branch Pipe 32 Water Tank 33 Second Branch Pipe

Claims (2)

電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの酸化ガス入口に酸化ガスを供給する吸気マニホールドと、
前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガスを排出する排気マニホールドと、
前記吸気マニホールドと排気マニホールドとを接続し、水ポンプ及び水フィルタが配設された水循環管路と、
前記水ポンプ及び水フィルタの前後において前記水循環管路に一端が接続され、他端が水タンクに接続された第１及び第２分岐管路と、
前記水循環管路並びに第１及び第２分岐管路を選択的に開閉して、起動時、定常運転時及び停止時における水の流れを制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and is stacked with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode;
An intake manifold for supplying oxidizing gas to the oxidizing gas inlet of the fuel cell stack;
An exhaust manifold for discharging the oxidizing gas discharged from the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack;
A water circulation line that connects the intake manifold and the exhaust manifold, and is provided with a water pump and a water filter;
First and second branch pipes having one end connected to the water circulation pipe before and after the water pump and the water filter and the other end connected to a water tank;
And a control means for selectively opening and closing the water circulation pipe and the first and second branch pipes to control the flow of water during start-up, steady operation, and stop. . 前記制御手段は、起動時に前記水タンクと吸気マニホールドとを接続し、水タンク内の水を吸気マニホールドに供給させ、
定常運転時に前記排気マニホールドと吸気マニホールドとを接続し、排気マニホールド内の水を吸気マニホールドに供給させ、
停止時に前記排気マニホールドと水タンクとを接続し、排気マニホールド内の水を水タンクに供給させる請求項１に記載の燃料電池システム。 The control means connects the water tank and the intake manifold at the time of start-up, supplies water in the water tank to the intake manifold,
During normal operation, the exhaust manifold and the intake manifold are connected, and water in the exhaust manifold is supplied to the intake manifold.
The fuel cell system according to claim 1, wherein the exhaust manifold and the water tank are connected to each other and water in the exhaust manifold is supplied to the water tank when stopped.
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